時差法流量監測系統的建立與實踐應用分析

(黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

1 引 言

屯溪水文站是新安江干流的主要控制站，是皖南山區的代表站，同時也是國家重要水文站。2011年初，湖邊水利樞紐在測站基本斷面下游4.1km處建成并投入使用，其中攔水壩長230m，左岸建有船閘，右岸建有電站，屯溪站水位常年在122.00m左右。樞紐調節對流量測驗帶來很大影響，水位流量關系不再單一，全年采用連實測流量過程線法推流，流量測驗任務繁重。針對測流作業現場測驗時間長、勞動強度大、不能實時監測且低流速時測量不精確等問題，2011年引進德國時差法流量監測系統，在屯溪水文站進行了探索性試驗和研究，取得了較好的效果，實現了流量在線監測，減輕測驗負擔。但使用過程中在河段選擇、安裝位置、系數選定等方面發現部分問題。為使時差法流量監測系統在實際工作中更好地應用，并保證一定的測驗精度，本文對時差法流量監測系統的結構、原理進行說明，在應用過程中對安裝建立進行研究與探討，并結合新安江干流實際測流數據進行驗證，利用實際監測結果對時差法流量監測系統進行比測率定分析，以期為水文自動化建設提供借鑒。

2 時差法流量監測系統結構、工作原理

時差法流量監測系統包括岸上測流控制器、一組(或幾組)聲學換能器、信號電纜、電源、防雷接地設施(含信號避雷器、電源避雷器、避雷地網)等組成部分，其中流量數據由岸上測流控制器計算得出。

聲學時差法是采用聲學流量計進行測流，聲學時差法流量計基于流速面積法流量測量原理進行測流。聲波在靜水中傳播時有一恒定的速度，此傳播速度會隨水溫、鹽度、含沙量發生變化，但當水流狀況一定時，此傳播速度是一定的。順水傳播時，實際傳播速度為聲速加上水流速度；逆水傳播時，實際傳播速度為聲速減去水流速度。據此原理，在河流上、下游兩固定點之間聲波順水和逆水傳播所需時間有一定的差別，測出這時間差別就能測得水流速度，這種測量水流速度的方法稱為“時差法”。

該系統工作原理如圖1 所示。圖中的θ為水流平均流向和超聲波傳播方向的夾角； A 、B 分別代表兩個超聲波換能器；td為換能器A發射、B接收時超聲波在河道中傳播時間，即順流時間；tu為換能器B發射、A接收時超聲波在河道中傳播時間，即逆流時間；V為水體流速；L為超聲波行走的路徑長度，D為河道寬度。時差法流量監測系統順流時間td和逆流時間tu分別用式(1)計算，即：

(1)

其中，C為超聲波信號在水中的聲速。設Δt為順逆流時間差，見式(2)：

(2)

式中X——兩換能器在水流方向上的間距。

因常見水體中聲速要遠遠大于水體流速,故公式簡化為式(3)：

(3)

也就是水體流速V，見式(4)：

(4)

由此可見，水體的流速與超聲波順波和逆波傳播的時間差成正比。

3 時差法流量監測系統應用

3.1 測驗河段選擇

屯溪水文站測驗河段順直，無水量進出交換，水流狀態穩定。河床規整，由連片巖石、卵石組成，兩岸漿砌塊石護坡，河底水草稀少，河面無頻繁通航船只，水流狀態穩定。符合時差法設備對測驗河段的技術要求[1]。

3.2 系統設計

3.2.1 傳感器安裝位置設計

探頭安裝位置是否科學合理，決定了系統測驗的精度，主要從水平、垂直2個方向考慮。

a.水平方向安裝位置分析。水平方向安裝位置應考慮以下因素：?兩岸換能器應相互對準，誤差不能大于3～5°，與斷面線呈45°夾角，涉及的河段長和河寬相等；?安裝探頭的河岸要求陡直穩定，不易淤積，河段順直，具有穩定的流態；?儀器安裝位置離岸遠，則水深大，造價高，阻礙航運，施工困難；離岸近應考慮其合理性、相關及局部地形影響[2]。

根據以上考慮因素，結合屯溪水文站現場情況，右岸換能器選在距離中泓岸邊89m處，左岸換能器選在距離中泓岸邊110m處。

b.垂直方向安裝位置分析。根據對屯溪站大斷面圖的分析，平時大部分時間水位在122m左右，只有在汛期時，水位才有可能上升，但時間不長。另外，由于本斷面較寬，時差法設備選用超聲波時差法流量監測系統。本系統只在斷面上安裝一層超聲波測量探頭，測量傳感器探頭安裝位置在高程119.5m處比較合適。屯溪水文站時差法測流斷面和時差法設備安裝位置如圖2所示。

圖2 屯溪水文站時差法測流斷面和時差法設備安裝位置

c.測驗井設計。屯溪區內新安江為重要的旅游觀光河道，從穩定性、安全性角度考慮，必須設計可靠的防撞保護設施。經過實地考察，結合儀器正常工作后的維護和保養，施工安裝時，建設測驗井2座，分布在河道兩岸[3]。

3.2.2 供電信號線設計

由于換能器安裝在河道兩岸，儀器控制終端放在右岸站房內，根據現場情況，供電信號線路采用隨上游公路橋過，安全可靠，便于工程施工，投資小。

4 時差法流量監測系統系數分析

2013年建成試運行至今，時差法流量監測系統在儀器性能穩定性及測速準確性方面，基本能滿足實際生產需求。由于沒有進行前期時差法流量監測系統系數的比測試驗，故使用時差法時系數選用“1”計算，這勢必影響到時差法的測流精度。

4.1 比測分析數據選取

為了消除斷面及水位變化對系數分析產生影響，故采用流速進行對比分析。取2013年10月至2016年9月屯溪水文站實測流量資料，用各個實測時間挑選出對應的時差法流速，共選出436組數據，其流速變化范圍為0.005～2.36m/s。

4.2 時差法流速系數分析

4.2.1 時差法流速整體分析

從時差法流速與實測流速相關關系(圖3)中可看出：時差法流速與實測流速有較好的相關性，相關系數為0.9902，將時差法流速代入相關公式中修正。以實測流速為真值，計算修正后時差法流速的系統誤差為1.68%，相對標準差為14.05%，相對不確定度為28.1%，均不滿足規范要求，此相關公式不能使用。

圖3 時差法流速與實測流速相關關系

4.2.2 時差法按流速級分析

因上述相關公式修正不能滿足規范要求，故將時差法按流速級分析，從時差法流速與實測流速相關關系圖中可看出：時差法流速與實測流速在0.1m/s以下、0.1～0.3m/s、0.3～0.5m/s及0.5～1.4m/s段具有較好的相關關系，相關系數均能到達0.98以上，而1.4m/s以上流速受含沙量影響較大，相關關系較差。各個流速段相關圖如圖4—8所示。

圖4 流速0.1m/s以下時差法流速與實測流速相關

圖5 流速0.1～0.3m/s時差法流速與實測流速相關

圖6 流速0.3～0.5m/s時差法流速與實測流速相關

圖7 流速0.5～1.4m/s時差法流速與實測流速相關

圖8 流速1.4m/s以上時差法流速與實測流速相關

將時差法流速代入各個對應的相關公式中修正。以實測流速為真值，計算修正后時差法流速的系統誤差、相對標準差及相對不確定度，成果見表1，滿足比測隨機不確定度不應超過7%；系統誤差不應超過±1%的要求[3]。

4.3 成果檢驗

流量測驗的基本原則應根據水流特性及控制情況等因素而定，總的要求是能準確推算出逐日平均流量和各項特征值。時差法流速修正分析成果檢驗也用于修正后的時差法逐日平均流量與連實測逐日平均流量進行對比[4-6]。選2016年1、2、3月對比，對比成果見表2。

表1 時差法測速誤差計算統計

表2 逐日平均流量對比 單位：m3/s

修正后1月日平均流量的最大相對誤差由24.8%下降到14.9%，月總量的相對誤差由10.8%下降到1.9%。2月日平均流量的最大相對誤差由42.5%下降到1.7%，月總量的相對誤差由18.4%下降到3.1%。3月日平均流量的最大相對誤差由71.9%下降到-2.2%，月總量的相對誤差由27.6%下降到1.4%。修正后時差法逐日平均流量更接近連實測逐日平均流量，基本能推算出逐日平均流量和各項特征值，能滿足實際生產需求。

5 結論與建議

5.1 結論

a.經時差法流速系數的比測，屯溪水文站時差法各個流速段相關公式可較精準地用于屯溪水文站時差法流量測驗，為測流作業帶來便捷。

b.時差法按整體流速進行擬合數據相關性較差，準確度不滿足要求，而時差法按流速級分析，在1.4m/s流速以下具有較好的相關性，經實測數據檢驗，具有較高的準確度。

5.2 建議

在時差法流量監測系統應用及系數的比測中，提出以下建議供參考：

a.屯溪水文站采用時差法流量監測系統，實現了流量數據的自動采集和報汛，為流量的自動監測提供了新的途徑。

b.若采用單層測流法時，應計算安裝水深，確保所測水層平均流速能在各個水位與斷面流速有較好的相關性；若采用分層測流法，應科學合理將水深劃分成不同的水層，提高流量測驗成果質量。

c.儀器安裝河段要順直，沒有水量進出交換，河道地形要平整，應具備一定的水深，不適用于斷面變化很大和過于寬淺的河道。安裝聲學換能器時要對準對岸相應的聲學換能器，水平、垂直偏斜角度都要在儀器允許誤差范圍內。必要時可設置對換能器的保護設施，但應注意這些設施和儀器的安裝設計都不對水流發生較大的擾動。

d.當河流含沙量較大時，時差法流速與實測流速相關關系較差，無法建立相關公式，而中低流速下相關關系較好。建議在中低流速下使用，具體的流速使用臨界值根據各站具體情況而定。各使用單位應對不同水情進行比測試驗，應分別采用不同的關系推流。

e.定時清理探頭及河槽，消除泥沙水草阻擋換能器等不良因素對測驗的影響。